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Dokumentenidentifikation DE10015164A1 11.10.2001
Titel Kommunikations-Verfahren mit einem ROSAR-Gerät
Anmelder Klausing, Helmut, Dr.-Ing., 82234 Weßling, DE;
Kaltschmidt, Horst, Prof. Dr. Dipl.-Ing. (TU), 85579 Neubiberg, DE
Erfinder Klausing, Helmut, Dr.-Ing., 82234 Weßling, DE;
Kaltschmidt, Horst, Prof. Dr. Dipl.-Ing. (TU), 85579 Neubiberg, DE
DE-Anmeldedatum 27.03.2000
DE-Aktenzeichen 10015164
Offenlegungstag 11.10.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.10.2001
IPC-Hauptklasse G01S 13/86
IPC-Nebenklasse G01S 7/295   G01S 13/90   G01S 17/89   
IPC additional class // G06F 19/00,165:00,171:00  
Zusammenfassung Die Erfindung bezieht sich auf ein ROSAR-Verfahren, das pulsfrequent oder im FM-CW-Betrieb betrieben wird und im cm- bzw. mm-Wellenlängenbereich arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß dem Sensor des HeliRadar ein im Infrarot-Bereich arbeitendes abbildendes Laser-Radar in einem Hubschrauber zugeordnet ist, deren Daten in einer Sensorfusions-Einheit erfaßt und an eine Datenfusions-Einheit weitergeleitet werden, in der diese Sensordaten mit über Funk übertragenen oder aus der bordeigenen Datenbank stammenden externen fusioniert werden und zur bildhaften Wahrnehmung von Flugweg und Landeplatz in einem Display eines virtuellen Cockpits sichtbar gemacht werden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kommunikationsverfahren mit einem ROSAR- Gerät, das pulsfrequent oder im FM-CW-Betrieb betrieben wird und im cm- bzw. mm- Wellenlängenbereich arbeitet.

Aus der DE 43 23 511 C1 ist ein ROSAR-Gerät bekannt, das in Echtzeitnähe im Online-Betrieb einsetzbar ist und neben der Kartographie, der Hinderniswarnung, der Landehilfe auch der Zielaufklärung, der Zielverfolgung und der Flugkörpereinweisung dient. Auf diesem Stand der Technik baut die vorliegende Erfindung auf.

Heutige Systeme an Bord eines Hubschraubers beruhen auf rein passiven Systemen, wie beispielsweise Restlichtverstärker und Wärmebildgeräte, die jedoch bei Nebel, schwerem Regen, Dunst, Schneefall oder Rauch wegen der geringen Reichweite nicht eingesetzt werden können.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzuzeigen, bei dem sowohl die Detektion von Hindernissen als auch die Fähigkeit hinsichtlich Zielaufklärung und Feuerleitung bei militärischen Anwendungen problemlos ermöglicht und verbessert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 vorgeschlagenen Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind Weiterbildungen und Ausgestaltungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungen wird die Erfindung näher erläutert. Die Figuren der Zeichnungen ergänzen die Beschreibung. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer möglichen Beleuchtungsgeometrie in der Elevation im Fall LUFT-LUFT und LUFT-BODEN in schematischer Darstellung,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer Beleuchtungsgeometrie LUFT-LUFT und LUFT-BODEN mit einem HeliRadar-Antennenarray,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Beleuchtungsgeometrie LUFT-LUFT und LUFT-BODEN mit HeliRadar-Antennenarray und zentral liegendem Laser- Radar in der Ansicht in Azimut (von oben),

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des Konzeptes nach der Erfindung für die Sensorfusion und die Datenfusion sowie einem "virtuellen Cockpit".

Der allgemeine Erfindungsgedanke sieht vor, das an sich bekannte, nach dem RO- SAR-Prinzip arbeitende HeliRadar, das im cm- bzw. mm-Wellenlängenbereich arbeitet, mit einem abbildenden Laser-Radar, das im Infrarot-Bereich arbeitet, in der Weise miteinander zu koppeln, daß die Allwetterfähigkeit des HeliRadar-Sensors hinsichtlich Zielaufklärung und Feuerleitung bei militärischen Anwendungen erheblich verbessert und mit der hohen Auflösefähigkeit des Laser-Radars ergänzt wird, wobei dies allerdings nur im Nahbereich auch bei Schlechtwetter einsetzbar ist. Damit wird sowohl die Detektion von Hindernissen als auch die Fähigkeit hinsichtlich einer Zielaufklärung und Feuerleitung bei militärischen Anwendungen ganz erheblich verbessert.

Weiterhin ist die Möglichkeit gegeben, externe Daten, die beispielsweise über Funk gesendet werden oder aus an Bord befindlichen Datenbanken stammen mit den Sensordaten von HeliRadar und Laser-Radar zu fusionieren.

Durch die multispektrale Wirkung der aktiven Sensoren von HeliRadar und Laser- Radar werden Objektsignaturen besser und präziser ausgewertet und abgebildet. Beispielsweise wird durch das Laser-Radar, das in der Hubschraubernase eingebaut ist (Fig. 1-3) eine zusätzliche Verbesserung in der Detaillierung der Abbildungen infolge der besseren Entfernungs- und Lateralauflösung erreicht.

Darüber hinaus wird durch eine intelligente Signalauswerte-Einheit im Bordrechner eine gemeinsame Bilddarstellung bzw. Abbildung der Hindernisse erreicht, so daß die multispektrale Wirkung auch in der effizienten Signalverarbeitung und Bilddarstellung gegeben ist.

Das hier vorgeschlagene ROSAR-Kommunikationsverfahren beinhaltet also nicht nur das Sensorkonzept von HeliRadar und Laser-Radar selbst, sondern berücksichtigt auch die gesamte Infrastruktur außerhalb und an Bord des Hubschraubers. Missionen wie Luftrettung, Katastropheneinsatz, Polizeieinsatz, Lufttaxi, Seenot-Rettung, Umweltüberwachung und militärische Einsätze als Aufklärungs- und Feuerleitradar. Hierzu bedarf es aber einer bildhaften Darstellung und Wahrnehmung von Flugweg und Landeplatz, einer rechtzeitigen Erkennung von Hindernissen, einer präzisen Navigationsmöglichkeit und einer effizienten Übertragung von Daten mittels HF/VHF- Datenlink oder einer Mobilkommunikation über das GSM- oder Satellitennetz. Der Einsatz der Mobilkommunikation ermöglicht die beidseitige Kommunikation, d. h. Vollduplexbetrieb und Gruppen-Kommunikation. Hierzu wird vorgeschlagen, für die Satellitenkommunikation die Antennen an der höchsten Stelle des Hubschraubers anzuordnen oder für den terrestrischen Mobilfunk an der niedrigsten Stelle oder im Heckbereich zu plazieren.

Weiterhin ist die Möglichkeit gegeben, die von HeliRadar und Laser-Radar gewonnenen Informationen in die bekannten Piloten-Sichtausstattungen, wie beispielsweise in das Helmet Mounted Display, mit passiven Sensoren einzublenden. Hier wird jedoch vorgeschlagen, die mit HeliRadar und Laser-Radar gewonnenen Informationen in ein virtuelles Cockpit (s. Fig. 4) einzublenden, welches z. B. den Hubschrauberflug nach einem dreidimensionalen Computerbild der gerade überflogenen bzw. zu überfliegenden Umgebung ermöglicht. Durch diese aktuelle Hinderniseinblendung in das virtuelle Cockpit wird eine ganz wesentliche Steigerung der Effizienz der computerorientierten Flugführung ermöglicht. Natürlich erfordert das virtuelle Cockpit zusätzlich genaue aktuelle Ortsinformationen des Hubschraubers durch beispielsweise GPS. Das hier vorgeschlagene Kommunikationsverfahren schlägt jedoch wegen der notwendigen Positionsgenauigkeit das besser geeignete Differential-GPS vor.

Durch die mittels des Einsatzes von HeliRadar und Laser-Radar gewährleistete Allwetterfähigkeit wird das Einsatzspektrum von Kampfhubschraubern für militärische Anwendungen wesentlich erweitert. Beispielsweise zur Zielaufklärung und Feuerleitung arbeitet das HeliRadar im Frequenzbereich zwischen 10 GHz und 20 GHz um die operationellen und technischen Anforderungen hinsichtlich der Reichweite und der zu erzielenden Auflösung, z. B. bezüglich der Leistungsbilanz, zu erfüllen.

Zusätzlich zur autonomen Waffeneinsatzbilanz ist auch eine Zielein- und -zuweisung von einer extern vom Hubschrauber liegenden Kommandostelle, die von mehreren Hubschraubern Zielaufklärungsdaten erhält, durchführbar. Generell darf gesagt werden, daß das Laser-Radar infolge der höheren Auflösung eine geringere Abtastrate aufweist als das HeliRadar. Das Laser-Radar ist auch aufgrund seiner starken Wetterabhängigkeit bevorzugt zur Hinderniswarnung im Nahbereich einzusetzen. Das HeliRadar dient dagegen neben der Hinderniswarnung auch der Zielaufklärung im Nahbereich bei Reichweiten von 10 km bis 20 km und zur Flugkörpereinweisung bei Reichweiten von 6 km bis 8 km. Bei der Nahbereichsaufklärung ist typischerweise ein Sichtwinkel in Azimut von 360° und in Elevation von ca. 70° erforderlich. Generell ist zu sagen, daß das Laser-Radar gut erkennbar ist und dagegen das HeliRadar erst spät erkennbar ist.

Daraus resultieren folgende Aufgabenstellungen: Für das Laser-Radar die Hinderniswarnung im Nahbereich auch bei schlechten Wettersituationen und für das Heli- Radar ebenfalls die Hinderniswarnung, zusätzlich aber noch die Aufklärung und die Flugkörpereinweisung im Nah- und Fernbereich bei jedem Wetter. Als Erfordernis für einen Einsatz von Hubschraubern unter Sichtflugbedingungen ist anzuführen, daß eine bildhafte Wahrnehmung von Flugweg und Landeplatz sowie eine rechtzeitige Erkennung von Hindernissen ein virtuelles Cockpit neben besten Navigationsmöglichkeiten, beispielsweise durch GPS bzw. Differential-GPS, für ein effektiv arbeitendes Gesamtsystem von großer und vorteilhafter Bedeutung sind. Weiterhin wird vorgeschlagen, den Sichtwinkelbereich des Laser-Radar auf 30° × 40° (AzimutxElevation) und des HeliRadar auf 180° × 40° zu optimieren, wobei das HeliRadar in seinem Schwenkbereich auf 360° × 40° bemessen ist.

Nun hat sich gezeigt, daß während der Umläufe des Rotors mit seinen Antennen eine Synchronisation dann erforderlich ist, wenn die Antennenkeule des HeliRadars die Keule des Laser-Radars überstreicht. Während der Zeit, in der sich die beiden Keulen überlappen, erfolgt eine gemeinsame Signalauswertung und damit eine Korrelation. Besteht auch beim Laser-Radar durch Schwenkung des Sensors die Möglichkeit den Schwenkbereich zu vergrößern, so vergrößert sich ebenfalls der gemeinsame Beobachtungsbereich.

Zur Optimierung der Komplexität des Verfahrens im Bezug auf seinen Geräteaufwand, dessen Gewicht und der Rechnerarchitektur wird vorgeschlagen, eine Datenfusions-Einheit für die gewonnenen Sensordaten in einem gemeinsamen Rechner vorzunehmen.

Die vorbeschriebene Multisensor- und Multidatenfusion für Hubschrauber zeichnet sich besonders dadurch aus, daß durch die Vielzahl der zugänglichen Daten eine sehr große Redundanz entsteht.

Nachstehend seien die möglichen Beleuchtungsgeometrien - wie in den Fig. 1 bis 3 veranschaulicht - kurz beschrieben:

In Fig. 1 ist der Fall LUFT-LUFT und LUFT-BODEN in Elevation skizziert, wobei das HeliRadar-Drehkreuz in der Rotordrehachse und das Laser-Radar in der Hubschraubernase integriert ist. Für die Zielaufklärung am Boden werden die Antennen beider Sensoren entsprechend in Richtung Boden verschwenkt, beispielsweise das Laser- Radar mit Azimut 30° und Elevation 40° Sichtwinkelbereich und das HeliRadar hierfür in Azimut 70° und in Elevation 40°. Das HeliRadar hat jedoch durch die Rotation der Antenne eine Rundumsicht von 360°.

In Fig. 2 ist der Fall LUFT-LUFT und LUFT-BODEN mit HeliRadar als Antennenarray in der Elevationssicht veranschaulicht. Das HeliRadar ist als Antennenarray entlang der Hubschraubernase angeordnet, wobei das Laser-Radar in der Hubschraubernase untergebracht ist. Die Keulen sind zur Zielaufklärung zum Boden geschwenkt und die Antennenkeulen beider Radare sind in Elevation gleich groß, beispielsweise 40°. Fig. 3 veranschaulicht die Situation LUFT-LUFT und LUFT-BODEN mit HeliRadar und gegebenenfalls anschließendem linearen Antennenarray (wie in Fig. 2 skizziert) in der Ansicht in Azimut (von oben). Die Sichtwinkelbereiche sind in Fig. 3 eingetragen. Beim Überlagern der HeliRadarkeule und Laser-Radarkeule ist eine optimale Signalauswertung im Sinne der Sensorfusion gegeben.

Das virtuelle Cockpit ist Stand der Technik. Die Navigation erfolgt auf der Basis einer digitalisierten Geländekarte einschließlich zugefügter Infrastrukturdaten (Bebauung, Straßen, Flüsse, Hochspannungsleitung etc.) in Form einer CD-ROM als Datenbank. Beim virtuellen Cockpit erfolgt also eine Flugführung anhand der Kombination eines digitalen Geländemodells in Verbindung mit einer satellitengestützten Navigation (z. B. GPS); das gerade überflogene Gebiet wird aus der Sichtposition des Piloten in Form einer synthetischen Sicht in Echtzeit dargestellt.

Gerade in diese Bilddarstellung passen die Hindernisdaten, welche von HeliRadar bzw. Laser-Radar geliefert werden, gut in das Bild, denn aktuelle Hindernisse sind nicht im Geländemodell enthalten.

Das vorliegende Konzept mit der Kopplung HeliRadar + Laser-Radar ist auch erweiterbar hinsichtlich zusätzlicher Sensorsysteme im passiven Bereich. Zum Beispiel kann ein passives Mikrowellen-Radiometer bei 90 GHz bzw. 140 GHz oder ein Infrarotsystem, wie zum Beispiel ein Infrarot-Zeilen-Detektor, der z. B. im langwelligen Infrarotbereich arbeitet, mit dem HeliRadar zu einem Bi- bzw. Multi-Spektral-System ausgebaut werden. Im Rahmen der Datenfusion werden die mit dem HeliRadar und den passiven Sensoren detektierten Objekte verglichen und die Objekte, bei denen die höchste Objektdichte (Clusterdichte) entsteht, ausgewählt.

Aus der DE 43 23 511 C1 (ROSAR zur Hinderniswarnung) ist bereits die Kombination des ROSAR-Prinzips (ROSAR mit schwach bündelnden Antennen) mit dem Prinzip der realen Apertur (klassisches Radarprinzip mit scharf bündelnden Antennen) auf einem Träger (z. B. Drehkreuz) bekannt. Das heißt, diese Anordnung funktioniert auch mit dem hier beschriebenen Verfahrenskonzept.

Damit ist nun ein ROSAR-Verfahren geschaffen worden, bei dem eine Multisensor- und Multidatenfusion durchführbar ist, wobei das HeliRadar mit einem abbildenden Laser-Radar so gekoppelt ist, daß die Allwetterfähigkeit des HeliRadar-Sensors mit der hohen Auflösefähigkeit des Laser-Radars auch bei Schlechtwetter einsetzbar ist.


Anspruch[de]
  1. 1. ROSAR-Verfahren, das pulsfrequent oder im FM-CW-Betrieb betrieben wird und im cm- bzw. mm-Wellenlängenbereich arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß dem Sensor des HeliRadar ein im Infrarot-Bereich arbeitendes abbildendes Laser-Radar in einem Hubschrauber zugeordnet ist, deren Daten in einer Sensorfusions-Einheit erfaßt und an eine Datenfusions-Einheit weitergeleitet werden, in der diese Sensordaten mit über Funk übertragenen oder aus der bordeigenen Datenbank stammenden externen fusioniert werden und zur bildhaften Wahrnehmung von Flugweg und Landeplatz in einem Display eines virtuellen Cockpits sichtbar gemacht werden.
  2. 2. ROSAR-Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Laser- Radar in der Nase des Hubschraubers integriert wird.
  3. 3. ROSAR-Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenfusion der gewonnenen Sensordaten von HeliRadar und Laser-Radar in einem gemeinsamen Rechner durchgeführt wird, wobei der Rechner zur Bilddarstellung mit einer intelligenten Signalverarbeitungs-Einheit versehen ist.
  4. 4. ROSAR-Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch Korrelation von Signalen aus dem ROSAR-Gerät und dem Laser-Radar für beide Keulen eine Synchronisation erfolgt, wenn die Antennenkeule des HeliRadars diejenige des Laser-Radars überstreicht.
  5. 5. ROSAR-Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennen für die Satellitenkommunikation an der höchsten Stelle des Hubschraubers und für terrestrische Kommunikation an dessen niedrigster Stelle oder im Heckbereich angeordnet sind.
  6. 6. ROSAR-Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die von den aktiven Sensoren des HeliRadars oder eines Laser-Radars gewonnenen Informationen mit passiven Sensoren in das virtuelle Cockpit eingegeben werden.
  7. 7. ROSAR-Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß kontinuierlich die exakte Ortsinformation des Hubschraubers durch ein Differential-GPS in das virtuelle Cockpit eingegeben wird.
  8. 8. ROSAR-Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das HeliRadar mittels zusätzlicher Sensorsysteme im passiven Bereich zu einem Bi- oder Multispektral-System ausbaubar ist, wobei die detektierten Objekte verglichen und diejenigen mit der höchsten Objektdichte ausgewählt werden.
  9. 9. ROSAR-Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an zwei der vier Rotorarme scharf bündelnde Antennen für die reale Apertur und an den anderen beiden Rotorenden schwach bündelnde Antennen für das ROSAR anbringbar sind.






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